Aplicabilidade de Novos Materiais Geotécnicos Visando o Reforço de Solos
“Estudo experimental de bentonita reforçada com resíduo de PET triturado”
Aluna: Yasmine Ghazi
Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Co-orientadora: Nathalia dos Santos Lopes Louzada
Introdução
O consumo de garrafas PET na sociedade atual é algo extremo. A destinação final das
mesmas vem se tornando um problema difícil a ser solucionado, uma vez que ocupam um
espaço muito grande de armazenamento e levam em torno de 500 anos para se decomporem.
Pelo fato das garrafas recicladas não poderem ser reutilizadas em contato com bebidas,
alimento, remédios, brinquedos e materiais hospitalares, seu reuso fica ainda mais restrito,
aumentando o descarte final do produto. Sendo assim, uma alternativa para utilização desse
resíduo é um benefício a toda sociedade. Na figura 1 abaixo podemos ver um gráfico da
reciclagem da PET no Brasil.
A preocupação com as questões ambientais, mais precisamente com a destinação final
dos resíduos sólidos urbanos, vem impondo às autoridades e empresas maneiras de se reduzir
esse impacto. Tais medidas se retratam em leis, políticas públicas e desenvolvimento de
novas tecnologias que solucionem a questão. Nesse sentido que temos a inserção dos
resíduos, como material alternativo, nos trabalhos geotécnicos, contribuindo para redução do
consumo de recursos naturais, queda dos custos e investimentos em pesquisa e infraestrutura.
Para garantir uma nova possibilidade de destino a PET, faz-se necessário que o
comportamento mecânico da mistura, assim como suas características físicas, químicas e
ambientais sejam estudadas. Dentro desse contexto, o presente trabalho procurou verificar a
viabilidade dos resíduos de PET como material de reforço de solos para aplicação em obras
geotécnicas, como em estabilização de encostas, taludes e aterros sobre solos moles.
Figura 1 – reciclagem de PET no Brasil
Objetivo
O objetivo principal desta pesquisa consiste em avaliar a influência da inserção dos
resíduos de PET como reforço de solo (Bentonita). Para isso, foi feito caracterização física e
química do solo e das misturas, através de ensaios de laboratório padronizados, além de
análises dos seus respectivos comportamentos mecânicos. Este se resumiu em ensaios de
cisalhamento direto da bentonita pura e das misturas com diferentes proporções de PET
triturado. Através da análise desses resultados se pretende obter os melhores parâmetros para
se conseguir o reforço do solo e ainda, propor novas pesquisas na área para aumentar o
conhecimento do uso da PET para melhoria do comportamento dos solos.
Programa Experimental
Foram utilizados dois tipos de materiais distintos, sendo estes: Bentonita (Figura 2) e
PET triturado (Figura 3). A bentonita sódica usada nesse estudo pode ser classificada como
argila, foi comprada no Rio de Janeiro. O PET triturado é resultado do processo de moagem
realizado no laboratório de estruturas e materiais da PUC-Rio. Seu processo de moagem pode
ser dividido em 4 etapas:
1- As garrafas PET foram higienizadas e cortaram-se as partes superior e inferior da
garrafa, sobrando apenas a casca lateral. As garrafas foram introduzidas na
maquina de moagem ate se atingir o tamanho adequado.
2- O material foi novamente moído ate um tamanho inferior a 10mm de diâmetro.
3- Agora a moagem exigia um diâmetro máximo de 2mm.
4- Chegando no tamanho final de 1mm de diâmetro.
Em cada etapa as moagens foram repetidas a fim de conferir homogeneidade ao
material
Figura 2- bentonita
Figura 3 – PET triturado
Trabalhou-se com o solo puro e com misturas destes nas seguintes proporções: 3 e 5%
de PET triturado. As porcentagens são em relação ao peso do solo seco.
O principal propósito desse programa experimental era obter as caracterizações física,
química e mecânica do solo usado para saber seus parâmetros e analisar a influência da PET
para melhoria do mesmo.
Os ensaios de caracterização física foram feitos no laboratório de geotecnia e meio
ambiente da PUC-Rio, seguindo as normas da ABNT. Para a bentonita os ensaios seguiram
as seguintes normas: NBR 6457/1986, NBR 7181/1984, NBR 6508/1984, NBR 6459/1984,
NBR 7180/1984. Para o PET triturado não houve ensaio, pois este foi considerado um
material inerte.
O ensaio de caracterização mecânica citado acima foi o de cisalhamento direto. Tanto
para a bentonita pura quanto para a mistura bentonita-PET, a compactação foi feita
manualmente dentro da caixa de cisalhamento. As amostras de bentonita foram feitas com
170% de umidade, correspondente a um volume de vazios de 4,93. Para manter a proporções
corretas, se calculou a quantidade de material seco que seria colocada na caixa de
cisalhamento. Em seguida realizando-se com a mistura, com as quantidades de água e PET
adequadas. O equipamento utilizado para o ensaio de cisalhamento direto segue mostrado na
figura 4 abaixo.
A resistência do solo é medida através dos parâmetros: coesão (c) e ângulo de atrito
(ᶲ). Os testes seguiram os métodos descritos pelo padrão ASTM D 3080/2004. O solo puro e
as misturas foram testadas sob dois valores de tensão normal: 50MPa e 100MPa.
Figura 4 – teste de cisalhamento direto
Para avaliar a interação das partículas foi realizado um teste com um microscópio
eletrônico de varredura, de magnitude de 30.000 vezes – modelo TM-3000 from Hitachi, no
departamento de engenharia de materiais da PUC-RIO. Esse teste produz imagens de
amostras através do feixe de elétrons. Os elétrons interagem com os átomos na amostra,
produzindo sinais que podem ser detectados e que contem informações sobre as superfícies
topográfica e composição da amostra.
Testes de caracterização fisica
a) Para bentonita :
NBR 6457/1986 – preparação para ensaio de compactação e caracterização do solo.
NBR 7181/1986 – analise do tamanho de grão
NBR 6508/1986 – determinação da massa especifica do solo.
NBR 6459/1986 – limite de liquidez
NBR 7180/1986 – limite de plasticidade
- Limites de Atterberg
Os ensaios de limites de liquidez (LL) e de plasticidade (LP), que nos permite
caracterizar a interação solo-água, foram realizados segundo os procedimentos descritos pelas
normas brasileiras NBR 6459 e NBR 7180 (ABNT, 1984), respectivamente. Através dos
dados obtidos por meio destes ensaios, pode-se determinar o Índice de Plasticidade (IP) dos
materiais segundo a equação a seguir:
IP(%) = LL(%) − LP(%)
O Limite de Liquidez é obtido através do fechamento de uma ranhura padrão feita
em uma massa deste, colocada na concha de um aparelho normalizado (aparelho de
Casagrande - Figura 5), sob a ação de 25 golps.O Limite de Liquidez (LL) marca a transição
do estado plástico.
O Limite de Plasticidade (LP) é definido como o teor de umidade em que o solo se
rompe quando moldado na forma de um cilindro ao atingir 3 mm de diâmetro (Figura 5). O
ensaio é realizado manualmente por rolamentos repetidos da massa de solo sobre uma placa
de vidro despolida. O Limite de Plasticidade marca a transição do estado plástico para o
estado semi-sólido do solo.
Figura 5 - Aparelho Casagrande
- Massa Específica Real dos Grãos
Para determinação da massa específica dos grãos, seriam adotados os procedimentos
descritos segundo a NBR 6508 (ABNT, 1984), porem como a bentonita apresenta um
tamanho de grão muito fino, a água adicionada ao picnometro não conseguiu penetrar e
umedecer os 25g de solo, alem do fato de ser um solo expansivo que ficou preso na parede do
picnometro formando caroços. Por tanto usou-se um método alternativo desenvolvido por
Calheiros -2013 , descrito abaixo:
1) Usar massa de 10g de solo.
2) Para evitar os problemas listados acima, colocar o solo no picnometro já com água
incorporada.
3) Misturar por 30 minutos com auxilio de aparelho de ultrassom.
4) Remover ar aplicando vácuo .
- Análise Granulométrica
Os ensaios de análise granulométrica, para todos os materiais envolvidos (bentonita
e bentonita com PET triturada ), foram realizados segundo procedimentos da norma brasileira
NBR 7181 (ABNT, 1984). Podemos ver na figura 6 abaixo uma imagem ilustrativa do
conjunto de peneiras utilizado nesse ensaio. Houve problemas pois muito material ficou
retido na parede, causando perda de material. Na etapa de sedimentação, o hexametafosfato
de sódio que deveria agir como defloculante, não agiu, gerando mais um problema.
Para solução 125 ml de hexametafosfato de sódio foram misturados a 200 ml de água e 50 g
de bentonita. A mistura descansou por 24h e o teste foi realizado. Todo o material passou da
peneira #200 .
Figura 6 – conjunto de peneiras
Resultados e Discussões
Neste capítulo serão apresentados os resultados e análises dos ensaios descritos
anteriormente, para as amostras de bentonita pura e mistura da mesma com 3 e 5% de PET
triturado.
a) Bentonita
-massa especifica:
o valor da massa especifica da bentonita foi obtido através de media aritmética das
determinações, a variação máxima foi de 1,1%. Seu valor encontrado foi de 2,90.
- curva granulométrica:
A curva granulométrica da bentonita foi feita através do teste de sedimentação e se apresenta
na figura 7 a seguir.
Figura 7 – distribuição granulométrica da bentonita
-limite de atterberg
Para a bentonita, os resultados de laboratório indicaram um limite de liquidez de 368,4% e
limite de plasticidade de 53,7%. O que resulta em um índice de plasticidade IP=LL-PL igual
a 314,7%
b) Bentonita e PET triturado
Tensão de cisalhamento e deslocamento vertical x deslocamento axial
Para mistura com 3% de PET triturado:
Na figura 8 as curvas de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical versus deslocamento
axial são apresentadas , o que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto com a mistura de
bentonita e 3% de PET triturado, sob tensão de 50 e 100kPa.
Figura 8- ensaio de cisalhamento direto: bentonita e mistura a 3%
Para a mistura a 5% de PET triturado:
Na figura 9 as curvas de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical versus deslocamento
axial são apresentadas , o que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto com a mistura de
bentonita e 5% de PET triturado, sob tensão de 50 e 100KPa.
Figura 9 – ensaio de cisalhamento direto : bentonita e mistura a5%
Influencia da quantidade de PET triturado na bentonita:
O comportamento da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deslocamento axial,
que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto realizado com a bentonita e as misturas
esta apresentado da imagem a seguir(figura 10) :
Figura 10 – ensaio de cisalhamento direto :bentonita, 3%, 5%
Observa-se que na tensão vertical de 50 kPa, o solo puro apresenta menores picos de forca do
que as misturas, e o pico ocorre um pouco antes. A mistura a 5% apresenta para ambos as
tensões verticais uma maior melhora da capacidade do solo, atingindo valores de tensão de
cisalhamento maiores do que a bentonita pura e a mistura a 3%. Após o pico, a mistura a 3%
atingiu o mesmo valor que a bentonita pura para tensão residual em aproximadamente 4 mm
de deslocamento, e a tensão residual de mistura a 3% começou a ficar menor do que do solo
puro. A mistura a 5% atingiu valores maiores que o solo puro para tensão máxima e tensão
residual durante todo o ensaio, destacando a melhora dos parâmetros do solo para essa
composição. Para a tensão de 100 kPa, a tensão máxima para a mistura de 3% foi maior do
que para o solo puro , e para a mistura de 5% a tensão foi significativa mais alta. A tensão
residual de ambas as misturas se manteve alta durante todo o teste.
O gráfico de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal para a mistura a 3%, para
50 e 100 kPa de tensão vertical , foram superiores aos valores da bentonita pura. Para a
mistura a 5%, houve um inchaço no espécime para a tensão de 100 kPa.
Envoltórias e Parâmetros de Resistência
As Figuras 11, 12 e 13 abaixo mostram os parâmetros de resistência ao cisalhamento de
a força máxima e residual e também as envoltorias de resistência , da bentonite e as misturas
com flocos de PET .
Figura 11- parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da bentonite
Figura 12-O parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da mistura a 3%
Figura 13 - O parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da mistura a 5%
A tabela 1 a seguir, resume os valores de coesão e de ângulo de atrito do solo puro e das
misturas para tensao maxima e tensao residual.
Material/mistura
Tensão máxima
Tensão residual
Coesão
(kPa)
Ângulo
de
fricção
(º)
Coesão
(kPa)
Ângulo
de
fricção
(º)
Bentonita
2,5 4,0 4,4 0,7
Mistura a 3%
5,0 2,5 3,8 1,0
Mistura a 5%
12,7 0,5 7,9 1,3
Tabela 1 – relação
Pode ser inferida a partir da analise dos graficos e tabela acima que , conforme a
quantidade de PET ‘e adicionada, o mesmo comportamento que ocorreu com a mistura a 3%
se repete . uma melhoria da coesão relacionado com a força de pico é observada em ambas
as misturas , porem , os ângulos de atrito se reduzem . Este fenômeno pode ser explicado
como referido anteriormente: a interacção entre as partículas de bentonita e flocos de PET são
mais elevados do que a interacção das partículas da bentonita pura , assim a coesão aumenta .
Em contraste , o ângulo de atrito diminui porque o diferença entre a tensao maxima de 50 e
100 kPa permanece menor que o diferença verificada entre a bentonita pura. No caso de a
força residual para a mistura a 3% , a coesão diminui , enquanto que com a mistura a 5% tem
uma melhora. Para ambas as misturas, aumenta-se o ângulo de atrito com a adição do PET
.Este fenômeno também destaca que a insercao do PET muda o comportamento mecânico do
material em relação a tensao de pico e resistencia final .
A mistura a 5% de PET causou uma grande melhora no parâmetro de resistência ,
onde , para a força de pico a coesão tornou-se cinco vezes mais elevadas do que o solo puro
e para a resistência residual do ângulo de atrito cresceu 70 % e a coesão cresceu
79% , em comparação com a bentonita pura. Os flocos de PET funcionaram como tamanho
de partícula para melhoria do comportamento do solo. o aumento de partículas maiores entre
a bentonite causou a melhoria dos parâmetros de resistência .
Conclusões
As principais conclusões em relação à adição do resíduo PET no solo estudado nesta
pesquisa estao especificadas abaixo.
O peso específico da bentonita foi obtido através da media aritmética igual a 2.9, com
variação máxima de 1.1%. Obteve-se um limite de liquidez de 368,4% e limite de
plasticidade de 53,7%, resultando em um índice de plasticidade de 314,7%.
Com base nos gráficos de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical x
deslocamento axial, pode-se concluir que ambas as misturas de bentonita com PET triturado
apresentaram valores mais altos do que o solo puro para 50MPa e 100MPa. Porém, na
segunda mistura, com inserção de 5% de PET triturado, quando submetida a 100MPa, pode-
se notar uma significativa na resistência do solo. Com relação a resistência residual tem-se
que para a mistura de 3% a coesão diminui e para 5% há uma melhoria. Em ambas as
misturas o ângulo de atrito aumenta com a adição de PET triturado.
Esse fenômeno evidencia que o PET triturado provoca mudanças no comportamento
mecânico do solo em relação à resistência de pico e à resistência residual.
A mistura com 5% é, por tanto, a mais eficiente, aumentando a capacidade de carga do solo e
os parâmetros de resistência.
Ou seja, Com base na intensidade maxima para os ensaios de corte direto, a adição de
PET levantou os valores de coesão para todas as misturas e uma diminuição no ângulo de
atrito ; Pela força residual , percebe-se que, como o teor de PET aumenta o valor da
diminuição da coesão e do ângulo de atrito aumenta, enfatizando que o PET altera o
comportamento mecânico do bentonita em termos de pico e pós- pico de força . A única
exceção é a mistura a 5% de PET , a quantidade de flocos de PET atingiu um teor de onde a
interacção entre as partículas de bentonita e flocos de PET eram maior do que a interacção
das partículas da bentonita pura , levantando os valores dos parâmetros de resistência
relacionados com forca maxima e tensao residual.
Conclusão geral
O descarte adequado de resíduos urbanos, incluindo PET , é um dos maiores problemas da
sociedade moderna , uma vez que a composição do presente resíduo mudou muito ao longo
dos últimos anos e a geração de resíduo tem crescido consideravelmente.
A fim de dar um destino final a um resíduo que leva mais de 400 anos para degradam , este
estudo avaliou a utilização deste material como um melhoramento do solo e concluiu que ,
estes compósitos podem ter características que poderiam cumprir os requisitos de um
determinado uso geotécnico como , por exemplo , camadas de aterros sobre solos moles e
aterros temporários. Assim , permitindo um menor consumo de materiais naturais e reduzindo
assim os custos de transporte e volume de material mobilizado . A utilização deste material
em obras geotécnica para reforço de solos pode reduzir a disposição do resíduo na natureza ,
sendo de baixo custo e opção ambientalmente sustentável.
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